Negli ultimi anni, l'elaborazione elettronica dei dati si è evoluta in una sola direzione:l'industria ha ridotto i suoi componenti alla gamma dei nanometri. Ma questo processo sta ora raggiungendo i suoi limiti fisici. I ricercatori dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) stanno quindi esplorando le onde di spin, o cosiddetti magnon, un'alternativa promettente per il trasporto di informazioni in microchip più compatti. Collaborando con partner internazionali, hanno generato e controllato con successo onde di spin di lunghezza d'onda estremamente corta. I fisici hanno raggiunto questa impresa sfruttando un fenomeno magnetico naturale, come spiegano nel diario Nanotecnologia della natura .

Per molto tempo, c'è stata una regola pratica affidabile nel mondo della tecnologia dell'informazione:il numero di transistor su un microprocessore raddoppia circa ogni due anni. Il conseguente aumento delle prestazioni ci ha portato le opportunità digitali che ora diamo per scontate, da internet ad alta velocità allo smartphone. Ma mentre i conduttori sul chip diventano sempre più minuti, stiamo iniziando ad affrontare problemi, come spiega il dott. Sebastian Wintz dell'Istituto di ricerca sui materiali e la fisica del raggio ionico dell'HZDR:"Gli elettroni che fluiscono attraverso i nostri moderni microprocessori riscaldano il chip a causa della resistenza elettrica. Oltre un certo punto, i trucioli semplicemente si guastano perché il calore non può più fuoriuscire." Ciò impedisce anche un ulteriore aumento della velocità dei componenti.

Ecco perché il fisico, che attualmente lavora anche presso l'Istituto Paul Scherrer (PSI) in Svizzera, immagina un futuro diverso per i portatori di informazioni. Al posto delle correnti elettriche, Wintz e i suoi colleghi stanno sfruttando una proprietà specifica degli elettroni chiamata spin. Le minuscole particelle si comportano come se ruotassero costantemente attorno al proprio asse, creando così un momento magnetico. In alcuni materiali magnetici, come ferro o nichel, gli spin sono tipicamente paralleli tra loro. Se l'orientamento di questi giri viene modificato in un punto, che l'interruzione viaggia verso le particelle vicine, innescando un'onda di spin che può essere utilizzata per codificare e distribuire informazioni. "In questo scenario, gli elettroni rimangono dove sono, "dice Wintz, descrivendo il loro vantaggio. "Difficilmente generano calore, il che significa che i componenti basati sullo spin potrebbero richiedere molta meno energia".

Come possiamo controllare l'onda?

Finora, però, ci sono state due sfide fondamentali che hanno complicato l'uso delle onde di spin:le lunghezze d'onda che possono essere generate non sono abbastanza corte per le strutture di dimensioni nanometriche sui chip, e non c'è modo di controllare le onde. Sebastian Wintz ei suoi collaboratori sono stati ora in grado di trovare soluzioni a entrambi i problemi. "A differenza delle antenne artificiali che sono comunemente impiegate per eccitare le onde, ora ne usiamo uno che si forma naturalmente all'interno del materiale, " spiega il primo autore, il dott. Volker Sluka. "A tal fine, abbiamo fabbricato microelementi comprendenti due dischi ferromagnetici che sono accoppiati antiferromagneticamente tramite un distanziatore di rutenio. Per di più, abbiamo scelto il materiale dei dischi in modo che gli spin preferiscano allinearsi lungo un particolare asse nello spazio, che si traduce nel modello magnetico desiderato."

All'interno dei due strati, questo crea aree di diversa magnetizzazione separate da quello che viene chiamato muro di dominio. Gli scienziati hanno quindi esposto gli strati a campi magnetici alternati con una frequenza di un gigahertz o superiore. Utilizzando un microscopio a raggi X del Max Planck Institute for Intelligent Systems di Stoccarda, che è gestito presso l'Helmholtz-Zentrum di Berlino, sono stati in grado di osservare che le onde di spin con fronti d'onda paralleli viaggiano lungo la direzione perpendicolare alla parete del dominio. "Negli esperimenti precedenti, le increspature dell'onda sembravano quelle che si ottengono quando un sassolino colpisce la superficie dell'acqua, " Riferisce Sluka. "Questo non è ottimale, perché l'oscillazione decade rapidamente quando l'onda si diffonde in tutte le direzioni. Per restare nella stessa analogia, le onde ora sembrano prodotte da una lunga asta che si muove avanti e indietro nell'acqua."

Come hanno mostrato le immagini a raggi X, queste onde di spin possono viaggiare per diversi micrometri a lunghezze d'onda di soli 100 nanometri circa, senza alcuna significativa perdita di segnale, un prerequisito necessario per utilizzarli nella moderna tecnologia dell'informazione. Inoltre, i fisici hanno scoperto un possibile modo per controllare questo nuovo vettore di informazioni impostando la frequenza di stimolazione al di sotto di mezzo gigahertz. Le onde di spin sono quindi rimaste intrappolate nel muro del dominio:"In questo scenario, le onde potevano persino correre in curva, "dice Volker Sluka, aggiungendo:"Tuttavia siamo stati comunque in grado di rilevare i segnali". Con i loro risultati, i ricercatori hanno posto importanti basi per l'ulteriore sviluppo di circuiti basati su onde di spin.

A lungo termine, questo potrebbe facilitare una progettazione completamente nuova di microprocessori, Sebastian Wintz prevede:"Utilizzando campi magnetici, possiamo spostare le pareti del dominio in modo relativamente semplice. Ciò significa che i chip che funzionano con onde di spin non necessitano necessariamente di un'architettura predefinita, ma possono essere successivamente modificati e adattati per svolgere nuovi compiti."